[论文解读] Resilience of Interdependent Urban Socio-Physical Systems using Large-Scale Mobility Data: Modeling Recovery Dynamics

Takahiro Yabe, P. Suresh C. Rao+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis参考文献 37被引用 7

一句话总结

本研究提出一种数据驱动的系统动力学模型，整合了波多黎各飓风玛丽亚后的大规模手机位置移动数据与供水服务恢复数据，以量化城市系统中社会-物理相互依赖关系。研究发现，尽管大城市通过集中化系统能实现更快的物理基础设施恢复，但这会降低危机期间的社会自主性，凸显了在快速扩张城市中城市韧性规划中的关键权衡。

ABSTRACT

Cities are complex systems comprised of socioeconomic systems relying on critical services delivered by multiple physical infrastructure networks. Due to interdependencies between social and physical systems, disruptions caused by natural hazards may cascade across systems, amplifying the impact of disasters. Despite the increasing threat posed by climate change and rapid urban growth, how to design interdependencies between social and physical systems to achieve resilient cities have been largely unexplored. Here, we study the socio-physical interdependencies in urban systems and their effects on disaster recovery and resilience, using large-scale mobility data collected from Puerto Rico during Hurricane Maria. We find that as cities grow in scale and expand their centralized infrastructure systems, the recovery efficiency of critical services improves, however, curtails the self-reliance of socio-economic systems during crises. Results show that maintaining self-reliance among social systems could be key in developing resilient urban socio-physical systems for cities facing rapid urban growth.

研究动机与目标

• 理解社会经济系统与物理基础设施之间的相互依赖关系如何影响城市区域的灾后恢复。
• 量化危机恢复期间集中化基础设施效率与社会系统自主性之间的权衡。
• 开发一种可推广的建模框架，利用大规模移动与基础设施数据评估城市韧性。
• 评估在应对未来气候冲击下管理社会-物理相互依赖关系的长期韧性影响。
• 通过识别能增强快速扩张城市韧性的最优社会自主性水平，为城市规划提供依据。

提出的方法

• 使用波多黎各五个区域的实证数据，包括手机位置数据和供水服务缺口恢复时间线，对模型进行校准。
• 开发了系统动力学建模框架，以模拟通过移动模式反映的社会系统与通过供水服务反映的物理基础设施之间的耦合恢复动态。
• 采用负指数函数（f(t) ∝ exp(−τt)）对恢复轨迹进行建模，以近似服务缺口随时间的衰减过程。
• 利用飓风玛丽亚后（2017年9月起）收集的区域移动与基础设施恢复数据对模型进行验证。
• 在假设的未来气候情景下开展纵向模拟，以评估连续冲击下的韧性表现。
• 基于区域尺度数据估计模型参数，并探讨模型输出与区域人均收入之间的尺度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 社会-物理相互依赖关系如何影响重大灾害后城市系统的恢复动态？
• RQ2 危机恢复期间，集中化物理基础设施恢复与社会系统自主性之间存在何种权衡？
• RQ3 城市规模与基础设施集中化如何影响相互依赖的社会-物理系统的韧性？
• RQ4 在灾后环境中，移动数据在多大程度上可作为社会系统恢复的代理指标？
• RQ5 在未来的气候相关冲击下，社会自主性在提升长期城市韧性方面发挥何种作用？

主要发现

• 随着城市扩张和集中化基础设施的增加，水等关键服务的恢复效率显著提高。
• 尽管物理恢复速度更快，但大城市在危机期间表现出较低的社会经济系统自主性，表明韧性设计中存在显著权衡。
• 波多黎各五个区域的供水服务恢复动态均良好地由负指数函数（f(t) ∝ exp(−τt)）近似，表明存在一致的衰减模式。
• 模型模拟表明，保持社会自主性是提升未来气候冲击下城市社会-物理系统长期韧性的关键因素。
• 观察到模型参数估计值与区域人均收入之间存在尺度关系，表明经济能力影响恢复动态。
• 本研究识别出现行城市规划中的关键缺口：对集中化基础设施的过度依赖可能削弱社区层面的韧性，尤其在快速扩张的城市地区。